中国科大郭光灿院士团队Phys. Rev. Lett.：利用纠缠测量极小化测量对热力学系统的反作用

点击蓝字关注我们

来源：中国科大科研部

中国科大郭光灿院士团队在量子测量研究中取得重要进展，该团队李传锋、项国勇研究组与德国、意大利以及瑞士的理论物理学者合作，在光子系统中首次实验使用纠缠集体测量（entangled collective measurement）将量子比特热力学系统中投影测量的反作用（back action）降至最小。相关研究成果于2020年11月16日发表在国际知名期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。

对演化的相干量子系统上的一个可观测量进行两次投影测量时，第一次测量通常会改变第二次测量的统计信息，这就是所谓的测量反作用。根源在于量子投影测量会完全破坏量子系统的量子叠加性。Martí Perarnau-Llobet博士的工作[Phys. Rev. Lett. 118, 070601 (2017)]指出，在不违背量子热力学的基本涨落理论的前提下，我们无法设计出一个测量方案完全避免反作用，但我们可以通过集体测量的方式来减少反作用的程度——假如我们有两份相同拷贝的量子态，并且对这个整体做一个广义量子测量，就可以提取量子态中部分初始叠加性的信息。也就是说，通过集体测量，我们能减少投影测量所带来的反作用。基于以上的理论结果，项国勇等人于2019年首次在实验上利用量子集体测量成功观测到测量反作用力的减小[Sci. Adv. 5, eaav4944 (2019)]。

先前的工作[Phys. Rev. Lett. 118, 070601 (2017),Sci. Adv. 5, eaav4944 (2019)]所使用的集体测量均为可分离量子集体测量，一个自然的问题即可被提出：是否存在纠缠的集体测量超越我们已经实现的反作用减少程度。项国勇等人就两比特情形下，对最优化的集体测量形式进行了深入的研究，他们发现在理论上存在一个最优的纠缠集体测量，能在两比特系统中使反作用达到最小，并且在强相干演化的情形下，其反作用可被压制为0。项国勇等人利用单光子的多个自由度结合光量子行走的实验技术，设计并以高达0.985的保真度实现了该纠缠测量，成功地在实验上把投影测量反作用降至最小。

图1：实验原理图与实验装置图

图2：实验结果。对不同初始量子态和演化过程，利用纠缠集体测量实现反作用力的减小。

审稿人对该工作给予了高度评价：“The experiment is well executed, as the results follow closely what one would expect from an ideal implementation. Overall, I find the article a highly interesting contribution to the topic of quantum back action and a great combination of new theory and flawless experimental implementation（该实验执行得很好，实验结果与理想实现的预期非常接近。总的来说，我发现这篇文章是对量子反作用这一主题的一个非常吸引人贡献，是新理论和完美实验实现的成功结合）”“this work represent a major advance in the field（这项工作是该领域的一项重大进展）”。该工作对集体测量以及量子热力学的研究具有重要意义。

文章的第一作者是中科院量子信息重点实验室的吴康达博士后，通讯作者是Karen V. Hovhannisyan博士，Martí Perarnau-Llobet博士以及项国勇教授。该项研究得到了科技部、国家自然科学基金委、中科院和教育部，EU COST Action MP1209 on Thermodynamics in the Quantum Regime以及Swiss National Science Foundation基金的支持。

论文链接

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.210401

相关进展
潘金波副研究员、张艳芳博士、杜世萱研究员与美国天普大学严琪闽教授：负泊松比二维材料及量子反常霍尔效应异质结的高通量计算研究获进展
南京大学张伟华教授、鲁振达教授 Adv. Mater. ：成功实现了单量子点的确定性组装
上海大学吴明红教授/王亮副研究员Sci. Adv.：高质量全色荧光碳量子点的合成与应用研究取得新突破

免责声明：部分资料来源于网络，转载的目的在于传递更多信息及分享，并不意味着赞同其观点或证实其真实性，也不构成其他建议。仅提供交流平台，不为其版权负责。如涉及侵权，请联系我们及时修改或删除。邮箱：[e-mail]

扫二维码｜关注我们

微信号 : Chem-MSE

诚邀投稿

欢迎专家学者提供化学化工、材料科学与工程产学研方面的稿件至[e-mail]，并请注明详细联系信息。化学与材料科学®会及时选用推送。